車載觸控屏過電應(yīng)力失效分析及微短路缺陷檢測系統(tǒng)改進(jìn)

林偉浩，沈 奕

（汕頭超聲顯示器技術(shù)有限公司，廣東汕頭 515065）

0 引言

隨著車載智能座艙電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電容式觸摸屏作為關(guān)鍵的人機(jī)交互接口，逐漸在汽車內(nèi)飾電子設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，而汽車電子產(chǎn)品面臨的工作環(huán)境通常非常嚴(yán)苛，環(huán)境噪聲較大，且存在各類干擾源，特別是在整車電子系統(tǒng)中，主板基本包含多個高壓器件和低壓邏輯電路等模塊，因此運行環(huán)境具有大電壓、大電流及強(qiáng)磁場等特點。與此同時，為匹配車載觸控功能的迭代升級擴(kuò)展，伴隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)及工藝的飛速發(fā)展，車載觸控芯片的集成度越來越高，芯片內(nèi)部工藝尺寸已達(dá)到100 nm級別。因觸控芯片內(nèi)部包含著非常密集的邏輯電路，外部過電應(yīng)力（Electrical Over Stress，EOS）對其造成的影響也越來越大，此類深亞微米集成電路的可靠性問題也日趨嚴(yán)峻［1］。因此，為進(jìn)一步提升觸摸屏產(chǎn)品在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的可靠性和穩(wěn)定性，以及達(dá)成汽車車廠對零部件上線裝車的功能零缺陷要求，研究EOS的源頭、失效機(jī)理、防護(hù)措施及檢測方式等方面將變得至關(guān)重要。

本文介紹了EOS的產(chǎn)生源頭及防護(hù)改善設(shè)計方法，通過結(jié)合實際EOS失效案例分析，提出了規(guī)范的失效分析流程，并著重針對因EOS造成的通信接口線路微短路缺陷較難及時有效檢出的難題，開展檢測系統(tǒng)的分析與研究，搭建了改進(jìn)后的檢測系統(tǒng)，并最終通過了有效性驗證。

1 車載觸摸屏EOS產(chǎn)生機(jī)理

1.1 電容式觸摸屏的工作機(jī)理

車載電容式觸摸屏通常是采用黃光制程，將透明導(dǎo)電介質(zhì)氧化銦錫（ITO）以鍍膜和光刻的方式，在玻璃基板上制備形成以X軸、Y軸交叉分布的電容感應(yīng)電極矩陣，利用透明電極與觸摸體之間的靜電耦合所產(chǎn)生的電容變化來偵測觸控［2］。在觸摸屏處于通電工作狀態(tài)時，通過運用觸摸芯片的驅(qū)動控制電路，對電容觸控感應(yīng)器件實施連續(xù)的高頻交流充放電信號激勵、掃描、信號采集及數(shù)據(jù)處理等系列步驟。當(dāng)手指或其他接地導(dǎo)體觸碰到電容式觸摸屏表面時，會在觸摸位置形成耦合電容，該耦合電容與觸摸屏感應(yīng)器件的內(nèi)部電容形成并聯(lián)電路，從而改變了內(nèi)部電容的容量。通過對觸控感應(yīng)器件的X軸及Y軸電極進(jìn)行持續(xù)驅(qū)動掃描，可檢測到屏體產(chǎn)生電容值變化的具體節(jié)點位置，觸控芯片通過偵測此電容量的變化演算出觸摸位置的坐標(biāo)信息，并上報給主機(jī)端做進(jìn)一步的應(yīng)用處理［3］。

1.2 EOS失效機(jī)理分析

過電應(yīng)力EOS是指元器件承受的電流或電壓應(yīng)力超過其允許的規(guī)格范圍上限值［4］。EOS現(xiàn)象在汽車電子系統(tǒng)中廣泛存在。例如主板電路開關(guān)、繼電器等配電器件在轉(zhuǎn)換瞬間會產(chǎn)生極大的供電浪涌、瞬態(tài)電流或噪聲，這將導(dǎo)致電壓瞬變傳遞耦合到主板中的其他電子器件，從而產(chǎn)生EOS 現(xiàn)象；在邏輯電路中，感性負(fù)載也易與集成電流元器件發(fā)生互感，產(chǎn)生瞬態(tài)大電流，形成EOS 現(xiàn)象；此外，當(dāng)集成電路的閂鎖靈敏度較低或超出安全工作區(qū)額定電壓，不適當(dāng)?shù)纳想姇r序或存在接地與屏蔽不良等情況時，均容易導(dǎo)致產(chǎn)生EOS現(xiàn)象。

當(dāng)外界電應(yīng)力超過器件可承受的最大規(guī)范條件時，器件性能將會減弱甚至損壞。EOS 持續(xù)時間的長短和能量的大小決定了對器件施加應(yīng)力的高低。長時間的高電壓或大電流過載現(xiàn)象將產(chǎn)生大的熱量，造成器件局部高溫［1］，此瞬態(tài)焦耳熱最終將可能導(dǎo)致金屬線路熔化、芯片內(nèi)部氧化層退化或柵氧層擊穿現(xiàn)象等。

EOS失效主要來源于對器件功能線路施加了持續(xù)的超規(guī)格電壓或電流等應(yīng)力，通常情況下使EOS 發(fā)生的電應(yīng)力需要持續(xù)1 ms以上，但微秒量級的電應(yīng)力也能造成過電力現(xiàn)象的產(chǎn)生。EOS造成的損傷主要表現(xiàn)為元器件性能劣化或功能失效。觸控集成電路（IC）是車載電容觸摸屏的核心組件，當(dāng)觸控芯片受到任何超出規(guī)格上限值的異常電應(yīng)力時，都可能導(dǎo)致芯片電路損壞。據(jù)分析統(tǒng)計，EOS 是引起芯片現(xiàn)場失效的最主要原因［5］。

1.3 EOS與ESD差異說明

靜電放電（Electro Static Discharge，ESD）失效是指當(dāng)帶靜電的人或物體與產(chǎn)品接觸并通過器件向地網(wǎng)絡(luò)或者其他物體放電時，其高電壓及其產(chǎn)生的勢能可能造成器件的損傷。ESD 的主要特點是高電壓（瞬間高電壓大于1 kV），低能量（微焦耳量級）和作用時間短（通常持續(xù)時間為1～100 ns）。而EOS 的主要特點是低電壓（小于100 V），高峰值電流（通常在10 A以上）和作用時間長（大于1 ms）），且EOS 損失基本存在失效熱點。

2 車載觸摸屏EOS失效實例分析

2.1 EOS失效實例問題概述

車廠客戶在將觸摸屏產(chǎn)品組裝成整機(jī)后進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)存在個例觸摸功能異常，表現(xiàn)為無法實現(xiàn)觸控響應(yīng)，通過查看分析整機(jī)的測試日志（LOG）文件，確認(rèn)該主機(jī)與觸摸屏之間的I2C通信存在異常，而該觸摸屏單體在零部件通用功能測試平臺上可以正常檢測，且各項測試指標(biāo)均合格。經(jīng)過做進(jìn)一步的主機(jī)交叉驗證，確定不良現(xiàn)象跟隨觸摸屏單體，通過對比觸摸屏不良品與正常品在接入整機(jī)端主板的I2C接口通信時序波形，如圖1～2 所示，確認(rèn)該觸摸屏不良品的SCL 時鐘線的電平無法正常拉低，低電平懸浮在1.7 V左右，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信異常。

圖1 觸摸屏不良品在整機(jī)端的I2C通信時序波形

圖2 觸摸屏正常品在整機(jī)端的I2C通信時序波形

2.2 EOS失效分析

2.2.1 功能引腳的二極管特性及阻抗測量

經(jīng)分別測量觸摸屏不良品SCL功能引腳與地網(wǎng)絡(luò)GND、屏體供電電源VDD之間的二極管特性電壓及電阻值等，確認(rèn)該觸摸屏的SCL功能線路與VDD之間存在阻值約280 Ω的微短路缺陷，如表1 所示。通過對觸摸屏組件排查，鎖定該微短路缺陷存在于觸控芯片中。

表1 觸摸屏不良品SCL線路二極管特性及阻抗測量

2.2.2 觸控芯片失效分析

為進(jìn)一步確認(rèn)觸控芯片SCL 微短路缺陷的失效模式及根本原因，著重從電性分析和物理分析兩方面開展深度剖析，目的在于找出失效根源并總結(jié)失效機(jī)理，便于后續(xù)制定相應(yīng)的防護(hù)改善措施及改進(jìn)單體檢測系統(tǒng)，從而提高觸摸屏的整體可靠性及穩(wěn)定性。觸控芯片器件檢查如圖3 所示。

圖3 觸控芯片器件檢查

（1）通過對不良品觸控芯片進(jìn)行非破壞性分析檢查，主要包含產(chǎn)品外觀檢查、掃描聲學(xué)顯微鏡檢查（Scanning Acoustic Microscopy，SAM）及X射線（X－RAY）檢查，如圖3（a）～3（c）所示，均未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)顆粒、夾雜物、沉淀物、內(nèi)部裂紋、分層缺陷、氣泡或空隙等方面的異常現(xiàn)象。

（2）通過化學(xué)開蓋方式（Chemical Decapsulation，DECAP）打開觸控芯片封裝，并進(jìn)行顯微鏡檢，如圖3（d）所示，該開蓋測試同樣未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

（3）在完成開蓋測試后，通過故障隔離分析法及漏電流路徑分析手段，采用液晶熱點檢測分析技術(shù)（Liquid Crystal Thermography Analysis，LCA），利用液晶材料特性，通過在正交偏振光下觀察液晶的相變點來檢測熱點［4］，從而找出集成電路存在的漏電區(qū)域。觸控芯片LCA檢查及剝層SEM鏡檢如圖4 所示。通過LCA技術(shù)，在觸控芯片SCL引腳功能線路上檢測到熱點，如圖4（a）所示。

（4）經(jīng)過上述LCA電性分析，通常只能找出缺陷在芯片版圖上的大致位置［6］，為明確缺陷的具體情況，就需要進(jìn)一步開展物理分析，物理分析工具或手段主要包括芯片去層處理技術(shù)（Deprocessing）、聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）及缺陷化學(xué)成分分析等。即電性分析實現(xiàn)對失效點的形貌觀測和微觀表象分析，是物理分析的前提，而物理分析的結(jié)果將是電性分析的目的和佐證。針對該失效案例，為明確缺陷的物理位置，通過對介質(zhì)逐層剝離，并利用SEM 對缺陷的微觀物理表象進(jìn)行鏡檢分析，如圖4（b）～4（d）所示。分析結(jié)果表明，在芯片熱點區(qū)域中的柵極氧化層存在過電壓力擊穿損傷現(xiàn)象。

圖4 觸控芯片LCA檢查及剝層SEM鏡檢

2.3 失效分析結(jié)論

通過上述分析流程步驟，確認(rèn)車載觸摸屏不良品所搭載的觸控芯片內(nèi)部SCL功能線路存在LCA熱點，因電子器件在受到EOS損傷后，會在局部形成熱點［4］，當(dāng)局部熱點溫度達(dá)到材料熔點時，將會致使材料熔化，形成開路或短路，甚至導(dǎo)致器件燒毀。特別是由于深亞微米級NMOS 管的柵氧化物較薄，漏極擊穿電壓較低［5］，極易在過電應(yīng)力條件下被擊穿和燒毀。因此，可診斷確定該不良品是因EOS損傷而引起芯片內(nèi)部SCL線路與電源VDD線路之間出現(xiàn)微短路缺陷，從而導(dǎo)致觸摸屏無法與整機(jī)主板進(jìn)行I2C接口通信，最終表現(xiàn)為觸摸功能異常。

針對案例所述觸摸屏不良品在零部件通用功能測試平臺上仍可以正常檢測通過的狀況，經(jīng)與整機(jī)主板進(jìn)行差異對比分析，確認(rèn)兩者所用的主控芯片MCU與總線環(huán)境均不同，零部件通用測試板上的功能接口GPIO 驅(qū)動電流能力較強(qiáng)，且下管導(dǎo)通電阻足夠小，因此即便在存在微短路阻抗的異常場景下，仍能把GPIO口的電平拉低。將異常品連接到零部件測試板上進(jìn)行測試，實測到SCL 低電平為0.3 V 左右，因此仍可以正常進(jìn)行I2C接口通信。而整機(jī)主板GPIO口的下管導(dǎo)通電阻偏大，無法兼容外部線路的微短路影響，因而在接入觸摸屏異常品后，低電平只能拉低到1.7 V左右，從而導(dǎo)致接口通信出現(xiàn)異常。

3 車載觸摸屏的EOS防護(hù)改善措施

EOS的防護(hù)設(shè)計將直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量及使用情況，針對電容式觸摸屏在汽車人機(jī)交互接口中的應(yīng)用，EOS 現(xiàn)象的預(yù)防及控制在產(chǎn)品硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、制程環(huán)境管控及檢測方式等環(huán)節(jié)上均需綜合評估及同步導(dǎo)入防護(hù)改善措施［7］。硬件設(shè)計方面，在輸入電源和接地中建議增加濾波器，并在器件級電路設(shè)計中適當(dāng)增加限流保護(hù)元件（例如電阻、有源分離器等）與限壓保護(hù)元件（例如瞬態(tài)電壓抑制器TVS 管），同時確保觸控芯片GND與系統(tǒng)良好共地；軟件設(shè)計方面，保證上電和斷電時序的軟件程序符合器件準(zhǔn)則要求；制程環(huán)境管控方面，通過源頭管控減少制程發(fā)生EOS現(xiàn)象的概率；檢測方式方面，在生產(chǎn)檢測前開展常規(guī)的連接測量和驗證，確保零部件插入的正確性，并規(guī)避接觸不良，反向或錯位插入等情況。

4 微短路缺陷檢測系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

鑒于EOS損傷部分表現(xiàn)為相對隱蔽的微缺陷，且部分微缺陷在特定的使用條件下才會表現(xiàn)出功能不良，因此潛在零件級缺陷漏檢風(fēng)險。為改進(jìn)提升觸摸屏零部件通用功能測試平臺的微短路缺陷檢出性能，經(jīng)分析確認(rèn)，微短路缺陷不良品的實測工作電流值為22 mA，而正常品的實測電流值為18 mA，因此基于該差異因素，對觸摸屏通用檢測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。如圖5所示，該檢測系統(tǒng)主要包含PC控制終端、高精度數(shù)字電流測量儀器、升級版產(chǎn)品測試軟件、通信接口轉(zhuǎn)換測試板及待測產(chǎn)品等組件。

圖5 微短路缺陷檢測系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)采用安捷倫五位半高精度數(shù)字電流測量儀器34 450 A作為檢測模型下的電流測量模塊，該儀器可精密測量微安級電流，并支持與PC控制終端建立測量數(shù)據(jù)通信。產(chǎn)品測試軟件則基于虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（Virtual Instrument Software Architecture，VISA COM），選取可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI）作為儀器控制語言［8］，并以此為重要支撐，通過USB通信接口，實現(xiàn)主機(jī)對測量儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸及分析處理等。在硬件驅(qū)動程序搭建方面，基于安捷倫VISA COM IO庫文件，按USB接口協(xié)議獲取相關(guān)設(shè)備地址，并將34 450 A儀器掛載進(jìn)測試系統(tǒng)，從而建立起控制終端系統(tǒng)與測量儀器之間的連通性。在軟件測試項開發(fā)方面，產(chǎn)品測試軟件通過調(diào)用SCPI 命令進(jìn)行程序設(shè)計，以及控制儀器執(zhí)行相應(yīng)指令。在實施測試前，預(yù)設(shè)置好設(shè)備信息、測量模式及測量采樣數(shù)等參數(shù)，并由此形成專用的測試配置文件，供系統(tǒng)檢測時調(diào)用導(dǎo)入使用。

新開發(fā)的系統(tǒng)檢測軟件工具主要實現(xiàn)了在集成原先通用測試項的基礎(chǔ)上，新增在畫線測試界面下，觸發(fā)量測產(chǎn)品工作電流，并進(jìn)行卡控閾值比較，最終輸出判定結(jié)果，而且實現(xiàn)將測試的數(shù)據(jù)與診斷結(jié)果，實時存儲為測試日志LOG 文件，可用于后續(xù)追溯時調(diào)取使用。如表2 所示。

表2 觸摸屏微短路缺陷品與正常品工作電流數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過實際測量及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在該系統(tǒng)測試軟件中合理設(shè)定微短路缺陷的電流管控閾值，并將該新開發(fā)測試項融合到原先的檢測系統(tǒng)中。經(jīng)過實際系統(tǒng)測試驗證表明，測試結(jié)果準(zhǔn)確有效，可檢出因EOS損傷而導(dǎo)致的微短路缺陷不良，達(dá)到檢測系統(tǒng)的改進(jìn)目的。

5 結(jié)束語

本文通過介紹電容式觸摸屏的工作原理及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用背景，詳細(xì)闡述過電應(yīng)力EOS的產(chǎn)生與失效機(jī)理，并結(jié)合車載觸摸屏EOS 失效分析實例，深入剖析失效分析的流程步驟，建立起合理的分析規(guī)范，并相應(yīng)提出了防護(hù)改善措施。針對零部件通用檢測系統(tǒng)無法有效檢出通信接口線路微短路缺陷的難題，通過對檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究及軟硬件平臺改進(jìn)設(shè)計，基于VISA COM 技術(shù)，實現(xiàn)控制終端測試軟件調(diào)用SCPI 命令，建立與電流測量儀器之間的數(shù)據(jù)通信，并整合集成原系統(tǒng)的其他測試項，同時使新系統(tǒng)具備實時存儲測試日志LOG 文件功能，使得能夠滿足后續(xù)零部件單片流追溯分析的需求。改進(jìn)后的檢測系統(tǒng)，經(jīng)實際測試應(yīng)用，可有效檢出微短路缺陷，具備良好的檢測效果，從整體上提高了產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性。